На этой неделе я вышла из подъезда в начале седьмого. Прогноз накануне обещал ночью плюс три, и куртку я взяла лёгкую. Во дворе все машины стояли с белыми крышами, газон между ними поседел, и по нему тянулась цепочка тёмных следов: кто-то уже погулял с собакой. А асфальт в двух шагах от газона был тёмный и сухой, без инея и даже без росы.
Обычно это объясняют тем, что металл холодный. Но так говорит ладонь: железо кажется холоднее дерева, потому что быстрее уводит тепло из руки. Ночью на улице остывает всё сразу, и машина, и дорога. Разница в другом: может ли поверхность взять откуда-то тепло взамен потерянного и много ли его там.
Ясной ночью землю выхолаживает небо
Любое тело излучает тепло, и чем оно теплее, тем сильнее. При уличных температурах это инфракрасное излучение, глазом его не увидеть. Одновременно на каждую поверхность падает излучение от всего вокруг: стен, деревьев, облаков, самого воздуха. Температура поверхности складывается из того, сколько она отдаёт и сколько получает обратно.
Днём в этом балансе всё перекрывает солнце. Ночью главный сосед горизонтальной поверхности — небо, и ясное небо для инфракрасных лучей похоже на очень холодный потолок. Воздух тоже излучает вниз, но меньше, чем отдаёт земля. У предмета с температурой около нуля максимум излучения приходится на волны длиной около 10,6 микрометра, это следует из закона Вина. А в диапазоне примерно от 8 до 13 микрометров ясная атмосфера почти прозрачна, значит, почти и не излучает. Через это «окно» тепло крыши уходит прямо в космос, и ничего сравнимого оттуда не возвращается.
Это и называют радиационным выхолаживанием. Поверхность, обращённая к ясному небу, становится холоднее воздуха, который её касается. Воздух её подогревает, но слабо: тепло он проводит плохо, а в тихую ночь почти не перемешивается. Крыша машины может уйти в минус, когда воздух над ней ещё плюсовой.
Теперь понятно, почему прогноз обещал плюс три. Метеостанции измеряют температуру воздуха на высоте двух метров, в будке, которая прикрывает термометр от солнца и неба. У самой земли ясной тихой ночью бывает заметно холоднее, поэтому синоптики отдельно предупреждают о заморозках на почве. Плюс три в прогнозе и белая трава утром друг другу не противоречат.
Крыша машины — тонкий лист над слоем воздуха
Крыша автомобиля — худший случай. Это стальной лист тоньше миллиметра, часто около 0,7. Квадратный метр такого листа весит примерно 5,5 килограмма, и чтобы остыть на градус, ему достаточно отдать около 2,5 килоджоуля. Пусть ясной ночью он теряет в небо 50 ватт с квадратного метра, для такой ночи это обычный порядок. Тогда без всякой подпитки градус уходил бы меньше чем за минуту.
Металл хорошо проводит тепло, но здесь это не спасает: теплопроводность лишь выравнивает температуру по листу, а взять тепло крыше неоткуда. Под ней салон, полный воздуха. У неподвижного воздуха теплопроводность около 0,025 Вт/(м·К), у асфальта и влажного грунта примерно от 0,7 до 2, то есть в десятки раз больше.
Цвет машины тут мало что решает. Большинство автомобильных красок в тепловом инфракрасном диапазоне излучают близко к абсолютно чёрному телу, белые наравне с тёмными: цвет, который различает глаз, относится к видимому свету.
По той же схеме можно обойти всю машину. Лобовое стекло лежит полого и видит почти всё небо, а стекло тоже хорошо излучает, вот его и приходится скрести. Боковые окна стоят вертикально, и половина того, что они «видят», — земля и соседние машины, которые теплее неба. На боковых стёклах иней обычно жиже или его нет совсем. С капотом зависит от того, когда машину поставили. Если она приехала глубокой ночью, мотор с охлаждающей жидкостью ещё не остыл, и над ним остаётся тёмное пятно, хотя крыша уже белая. По двору в такое утро видно, кто вернулся поздно.
Асфальт греется снизу, трава нет
Асфальт теряет тепло в то же небо и по тем же законам. Но под ним большой запас. Днём тёмное покрытие поглощает солнце и прогревается, а ниже лежат щебень и грунт, которые копили тепло всё лето. Один сантиметр асфальта на квадратном метре весит больше двадцати килограммов и на каждый градус остывания отдаёт раз в восемь больше тепла, чем квадратный метр крыши. Асфальт плотный и проводит тепло куда лучше воздуха, так что, едва поверхность начинает остывать, к ней подтягивается тепло из глубины. Покрытие тоже остывает, но медленно и в сентябрьскую ночь обычно не доходит даже до точки росы. Утром асфальт возле белой машины сухой.
Водители это знают, хотя редко связывают с инеем: мосты и эстакады покрываются гололёдом раньше остальной дороги. Под пролётом нет тёплого грунта, только воздух, и мост остывает и сверху, и снизу.
Трава устроена наоборот. Травинка тонкая, своего тепла у неё мало, а между стеблями стоит неподвижный воздух. Этот слой работает как одеяло, только укрывает он землю: тепло почвы до верхушек стеблей едва доходит. А верхушки торчат в самом холодном слое. Ясной тихой ночью воздух у земли холоднее, чем на высоте человеческого роста, хотя обычно бывает наоборот. Метеорологи называют такое расслоение приземной инверсией, и пока нет ветра, его ничто не размешивает.
Утоптанная тропинка через наш газон в то утро осталась тёмной. Плотная голая земля связана с глубиной, как асфальт, хоть и слабее, и травяного одеяла над ней нет. А следы на седой траве тёмные по другой причине: ботинок сбивает кристаллы, и из-под них видна зелень.
Почему кристаллы, а не капли
Материал для инея — водяной пар, который всегда есть в воздухе. Сколько пара может оставаться паром, зависит от температуры: чем холоднее, тем меньше. Если охлаждать воздух, не меняя количества пара, наступит момент, когда пара окажется ровно столько, сколько возможно. Эта температура называется точкой росы. Когда поверхность холоднее точки росы, тонкий слой воздуха у неё отдаёт излишек, и на поверхности оседают капли.
Если поверхность холоднее нуля, пар может перейти в лёд сразу, минуя жидкость. Физики называют это десублимацией, и у неё своя граница, точка инея. Надо льдом пар становится насыщенным при меньшем давлении, чем над переохлаждённой водой той же температуры. Поэтому в мороз точка инея лежит чуть выше точки росы: у самого нуля на доли градуса, при минус десяти примерно на градус. Лёд начинает нарастать на поверхности, которая для капель ещё недостаточно холодна.
На машине иней и замёрзшую росу легко различить. Если крыша сначала покрылась росой, а потом ушла в минус, получается гладкая прозрачная корка, которая держится крепко. Если пар с самого начала оседал льдом, растут отдельные кристаллы, иголки и пластинки длиной в миллиметры. Такой иней сметается рукавом.
У этого процесса есть встроенный тормоз. Когда пар превращается в лёд, выделяется тепло, ровно столько, сколько понадобилось бы, чтобы этот лёд растопить и снова испарить. Нарастающий иней немного подогревает поверхность. А сколько его наберётся к утру, решает прежде всего запас пара в воздухе. Если днём прошёл дождь, а к ночи прояснилось, иней часто ложится густым мехом. В сухую ночь при той же температуре крыша может остаться почти чистой.
Облака, ветер и дерево над машиной
Чтобы инея не было, достаточно чем-нибудь закрыть небо. Облака для теплового излучения — плотный и сравнительно тёплый потолок. Капли воды в них хорошо поглощают излучение земли и сами излучают вниз, особенно низкие облака, которые ближе к земле и теплее. Под сплошной облачностью поверхность держится около температуры воздуха, и при той же цифре в прогнозе инея нет. Если небо было ясным полночи, а к утру затянулось, иней может успеть лечь и снова растаять.
Ветер действует по-своему. Он перемешивает холодный приземный воздух с более тёплым сверху, разрушает инверсию и всё время подносит к крыше машины свежее тепло. Ясной, но ветреной ночью иней бывает редко, самые белые утра выпадают после тихих звёздных ночей. В безветрие холодный воздух ещё и стекает по склонам, как вода, поэтому в низинах и оврагах заморозки начинаются раньше, чем на пригорках.
У нашего подъезда в то утро чистой стояла одна машина, под старой липой. Крона заслоняет небо, а листья и ветки держатся примерно при температуре воздуха и излучают вниз намного больше, чем ясное небо. Под навесом то же самое: над машиной вместо холодного неба крыша, которая сама немногим холоднее воздуха.
Соседка с третьего этажа в такие ночи накрывает лобовое стекло старым покрывалом. Утром иней лежит на ткани, а стекло под ней чистое. Неба оно всю ночь не видело.
Комментарии
Чтобы участвовать в обсуждении, или .